不同位置空洞對隧道襯砌的力學行為分析

崔文艷,宋 建,劉 宇,于志華

(東北大學 資源與土木學院,遼寧 沈陽 110004)

從“十一五”規劃開始以來,我國基礎設施發展迅速,尤其是公路和鐵路建設,已經開始從經濟發達的平原向地質環境復雜的山區延伸。隨著我國越來越多的隧道投入到運營中,病害隧道的出現也越來越引起人們的關注。隧道設計規范[1]要求襯砌結構與圍巖緊密貼合,但隧道工程是隱蔽工程,人們事先無法準確了解其工程地質情況,而且其施工工序繁多,所以存在不少的潛在危險源。根據地質雷達檢測發現,實際上公路隧道襯砌拱頂、拱腰等區域存在不同程度的空洞。襯砌背后空洞一般由隧道施工回填不密實引起或地下水的腐蝕和沖刷引起,經驗認為空洞是對隧道穩定性影響較大的主要原因之一,常使襯砌受到不均勻的荷載,不能產生充分的地層反力,導致隧道建成后,出現不同程度的病害,比如襯砌裂損、變形、掉塊和隧道滲漏水等,更甚者引發隧道襯砌失穩,嚴重時會發生突發性崩塌,因此,處理隧道背后空洞對隧道的安全維護具有重大意義[2-3]。本文以遼寧省海棠山隧道為工程背景,結合隧道襯砌后空洞對結構穩定性影響的模型試驗結果,運用巖土隧道分析有限元軟件MIDAS軟件進行有限元數值模擬,詳細分析了不同位置的空洞對襯砌結構受力特點以及結構性能的變化,研究成果有助于準確把握空洞對隧道襯砌結構安全的影響,為綜合評價隧道結構安全性提供可靠依據。

1 工程概況

海棠山隧道位于阜蒙縣水泉鄉,呈北西走向,左線長3525 m,右線長3508.89 m,屬特長隧道,采用分離式隧道結構形式。隧道主洞建筑限界凈寬10.75 m,凈高5.0m,檢修道凈高2.5 m,道路兩側設有寬0.75 m,高30cm的人行道。設計采用復合式襯砌,初期支護由系統錨桿、單層鋼筋網、噴射混凝土、工字鋼鋼拱架組成,結合超前小導管,導管采用Ф 42×3.5熱軋鋼管,模筑鋼筋混凝土作為二次襯砌。初襯采用C25噴射混凝土,厚度為25cm,I20b型鋼拱架間距為100cm,二次襯砌采用C25鋼筋混凝土,厚度為45cm。

海棠山隧道地貌以侵蝕構造類型為主,山坡陡峭,山脊狹窄,局部巖石裸露,部分路段圍巖軟弱,夾泥帶、破碎帶及小斷層多,圍巖等級為Ⅳ級,進出口圍巖穩定性稍差。但是在隧道施工中地質調查結果與實際地質情況有出入,導致多次塌方,對隧道的穩定性造成嚴重的影響。

2 模型試驗與分析

試驗的目的主要是根據遼寧省海棠山隧道的地貌情況及不同位置出現空洞對隧道襯砌的結構安全的影響與分析。模型尺寸為600mm×600mm×100mm,模型的幾何相似比取1/90,故隧道尺寸為:跨度為121mm,洞高為108mm,直墻高為37mm,材料選用的是石膏、水泥為膠結材料來模擬石英巖。試驗模型分為5種工況,分別是空洞位于拱頂、拱腰、邊墻、拱腳和拱底,共5個模型。

將制作好的試塊模型粘貼上應變片的電阻絲以及相應的數據線之后,直立于臺架上,采用油壓千斤頂加載模擬豎向荷載及水平荷載。實驗時,首先進行預壓,盡可能減少模型與墊塊之間、墊塊與實驗臺架之間、量測儀器探頭與模型之間的孔隙,保證實驗的穩定性和準確性,然后進行正式加載,每級荷載施加完畢后保持該荷載3～5 min,記錄關鍵點的測量數據后再施加下一級荷載。其中將拱頂、拱肩、拱腳和拱底作為關鍵點,每個關鍵點分別安裝3個方向的數據輸出線,觀測它們的應變隨荷載的變化以及模型的破壞情況[4],圖1是拱肩有空洞時,關鍵點拱底、拱腳、拱頂、拱肩、邊墻的應變值隨荷載的變化曲線。

圖1 空洞位于拱肩時荷載-應變曲線

通過試驗結果分析可了解到,隧道襯砌背后不同部位出現空洞,均對襯砌的安全系數有影響。隨著荷載的增加,關鍵點的應變值都呈現上升趨勢,符合常規的理論。而且對比不同位置的空洞,隧道模型的破壞規律也略有差別,當空洞在拱肩位置時,隨著荷載的增加,首先會在襯砌有空洞的部位出現裂紋,隨著荷載增大裂縫貫通導致破壞,但是其他工況的隧道一般首先會在拱底部位發生裂紋,接著兩側邊緣出現裂紋,最后隨著荷載繼續增加導致破壞。比較拱頂、拱腰、拱腳存在空洞時對截面應變隨荷載的變化可知,空洞位置從左側拱頂移到拱腰、拱腳后,左側仰拱的應變隨荷載的變化較明顯,而拱頂與對側襯砌影響程度較小,說明隨空洞位置下移,受影響區域位置也向下側移動,且病害危害程度也逐漸增大[5-6]。

3 計算模型

3.1 模型的建立

為了更有力的驗證空洞對隧道工程造成危害的嚴重性,本文基于已有的實驗模型結果,應用有限元軟件MIDAS對試驗試塊進行了模擬分析。本次研究建立二維的平面應變分析模型。計算模型的尺寸與室內試驗模型相同,并且分別對襯砌背后存在不同位置的空洞的情況進行了分析。建立模型圍巖和襯砌參數,如表1所示。圍巖的本構關系采用Mohr-Coulomb模型,為連續彈塑性體,網格劃分采用四邊形平面單元,用實體單元模擬隧道周圍的圍巖地層,梁單元來模擬隧道襯砌。隧道邊界條件為模型左、右和下部邊界均施加法向約束,上部為自由邊界,不受任何約束。通過劃分的施工段不同,逐級加載荷載,模擬實驗加荷載的過程。建立的模型如圖2。

表1 數值模擬的計算參數

圖2 平面計算模型

3.2 數值模擬結果分析

通過數值分析,可得到用梁單元模擬的襯砌的彎矩和軸力[7-10]。

3.2.1 拱頂背后出現空洞

當空洞位于襯砌拱頂上方時,襯砌結構受力存在如下規律。

圖3、圖4拱頂背后出現空洞時,由5個關鍵點的安全系數變化曲線可以看出,在豎向壓力為主的應力場作用下,襯砌拱腳處最大正彎矩值為1.25 kN·m,仰拱的兩側出現較大的彎矩,襯砌軸力最大值(122.64 kN)出現在拱腳。正是在這些受力最嚴重的區域,病害產生最早這與實驗模型結果一致,左側的邊墻、拱腳以及仰拱左側處最早發生病害。

圖3 拱頂背后存在空洞時襯砌的軸力

3.2.2 空洞位于拱肩背后

當空洞位于襯砌拱肩背后時,襯砌結構受力存在如下規律。

在豎向壓力為主的應力場作用下,襯砌的右邊墻和左側拱腳處分布最大彎矩值為2.89 kN·m,襯砌兩側內側受拉,拱頂出現最大正彎矩值為2.03 kN·m,襯砌軸力最大值(207.20 kN)出現在拱腳處。如圖5、圖6所示,拱底和拱頂均為空洞病害集中的區域。試驗模擬結果顯示拱腳有空洞時,在有空洞的位置也首先出現了裂縫。

圖4 拱頂背后存在空洞時襯砌的彎矩

圖5 拱肩背后存在空洞時襯砌的軸力

圖6 拱肩背后存在空洞時襯砌的彎矩圖

3.2.3 空洞位于拱腳

當空洞位于襯砌拱腳部位時,襯砌結構受力存在如下規律。

如圖7、圖8所示,在豎向壓力為主的應力場作用下,襯砌拱腳處最大正彎矩值為3.30 kN·m,拱頂上側也受拉,但是彎矩值沒有邊墻兩側的大,襯砌軸力在拱腳達最大值(274.42 kN)。由于拱腳本來就是一個危險的位置,所以當在這里有空洞的時候,襯砌下側受拉更為嚴重,承載能力急劇下降。

圖7 拱腳背后存在空洞時襯砌的軸力圖

圖8 拱腳背后存在空洞時襯砌的彎矩圖

通過以上仿真模擬以及與模型試驗結果的對比分析,試驗結果與數值模擬分析大致相似,應變值隨荷載的變化趨勢,以及受力最大的位置基本相同。各點的應變值隨著荷載的增大而增大,變化趨勢基本一致。但是總體來講,空洞位于隧道不同位置,襯砌的結構安全性均受到較大的影響,在工程中應盡量避免,所以本文不僅具有理論意義,還具有重要的工程意義[11]。

4 結 論

通過對襯砌背后不同位置空洞的數值模擬分析,可以得出下面的結論:

(1)當拱頂背后出現空洞時,對拱頂襯砌的內力影響最大;當拱肩背后出現空洞時,對拱肩、相鄰側的拱腳及拱頂襯砌的內力有影響,試驗結果顯示拱肩位置隨著豎向荷載的變化會首先出現裂縫,而且模擬結果的彎矩變化較快;當拱腳背后出現空洞時,對拱腳、拱頂及側墻襯砌的內力也有影響。所以,總體來講,隨著空洞位置的下移,襯砌的破壞也有下移的趨勢,而且通過數值模擬的結果也間接驗證了模型試驗分析是合理的。

(2)空洞是隧道施工中比較容易出現的病害之一,當不同部位的襯砌受力發生改變時,還將衍生出其他病害,如:空洞使襯砌裂損,進而起層、掉塊,這些情況對隧道安全運營及人生安全有著很大的危害。

(3)本文僅對隧道襯砌背后出現不同位置的空洞做了分析,而影響隧道襯砌穩定性的因素還包括裂損、滲漏水、強度降低等因素,在這些病害綜合作用下時對隧道支護結構的影響還需要進行更深入的研究和分析。

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